Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Левченко Л.В.

Донецкий национальный технический университет, Украина

Особенности разработки модели субгармоникового смесителя для трансивера радиоканала миллиметрового диапазона

В настоящее время частотный ресурс околоземного пространства в освоенных диапазонах истощается. В связи с этим наблюдаются тенденции к сдвигу несущих частот приемопередатчиков телекоммуникационных систем в миллиметровую область. Это позволяет, во-первых, удовлетворить информационную потребность человечества, во-вторых, – дает возможность реализации широкополосных систем для передачи данных мультимедиа.

Для построения таких систем важной задачей является реализация необходимой их составляющей – приемопередающего тракта. При построении современных приемопередатчиков радиоканалов СВЧ диапазона возникает несколько основных задач [1]:

1. Реализация сигнала гетеродина, обладающего достаточным уровнем мощности для работы приемопередатчика

2. Минимизация уровня собственных шумов сигнала гетеродина

3. Обеспечение достаточно высокой стабильности сигнала гетеродина

4. Реализация цепей сигналов в смесителе.

Использование субгармоникового смесителя позволяет решить некоторые из этих задач. Во-первых, смеситель с субгармонической накачкой, работающий на четных гармониках сигнала гетеродина, позволяет уменьшить рабочую частоту сигнала гетеродина в четное число раз – в зависимости от того, на какой гармонике работает смеситель, а на более низкой частоте реализация необходимого уровня мощности существенно упрощается. Во-вторых, поскольку частота сигнала гетеродина понижается, размеры смесителя увеличиваются, таким образом, реализация цепей сигналов упрощается.

Таким образом, необходимо расширять область применения субгармониковых смесителей в приемопередатчиках радиоканалов телекоммуникационных систем.

Целью данной работы является разработка модели смесителя, работающего на частоте 47ГГц, для разрабатываемого приемопередающего тракта радиорелейной системы передачи.

Особенности реализации цепей сигналов в смесителе определяется элементной базой самого смесителя. На частотах миллиметрового диапазона используется диодная топология. К диоду, как к элементу смешивания, предъявляются следующие требования:

· возможность работы в этом частотном диапазоне;

· минимальная собственная емкость;

· минимальные потери преобразования;

· малые размеры;

· малая индуктивность выводов;

· идеальность вольтамперной характеристики.

Наиболее соответствующей данным требованиям диодной конструкцией является диод 3А138Б-3. Это арсенидогаллиевый диод с барьером Шоттки [2], предназначенный для применения в преобразователях частоты и детекторах миллиметрового диапазона волн. Предельная частота его работы составляет 2400ГГц, ёмкость диода – 0,025пФ, потери преобразования – 8дБ, коэффициент идеальности вольтамперной характеристики – 1,14, длина диода – 500мкм. Диод выпускается в бескорпусном исполнении с балочными выводами.

Выбор конструкции диода определяет выбор микрополосковой технологии [2].

Таким образом, микрополосковые линии должны обеспечивать развязку и согласование цепей сигналов в смесителе. Наиболее существенным требованием является минимизация потерь входного сигнала при приеме, когда часть полезной мощности сигнала уходит в цепь сигнала гетеродина или сигнала промежуточной частоты.

Так как частоты сигнала гетеродина и входного сигнала довольно близки, необходимо, чтобы эти сигналы поступали в смеситель по разным путям, то есть, в данном случае, по разным линиям. В этом случае обеспечить развязку цепей сигналов будет значительно проще. Обозначим условно: по линии l₁ проходит входной сигнал, по линии l₂ – сигнал гетеродина (рисунок 1). Цепь сигнала промежуточной частоты может быть подсоединена как к линии l₁, так и к линии l₂, так как длина волны сигнала промежуточной частоты намного больше, чем длины линий, и обе линии не будут существенно влиять на характеристики сигнала промежуточной частоты.

Рисунок 1 – Принципиальная схема субгармонического смесителя

Линия l₂, к которой подключается цепь сигнала гетеродина, выполняет две функции: во-первых, она обеспечивает непопадание входного сигнала в цепь сигнала гетеродина (линия короткозамкнута для входного сигнала), во-вторых, линия резонирует на частоте сигнала гетеродина, чтобы как можно большая его мощность попадала на диоды. Этот эффект достигается подбором длины линии.

Линия l₁ разомкнута для сигнала гетеродина (является конденсатором большой ёмкости), поэтому этот сигнал не попадает в цепи входного сигнала и сигнала промежуточной частоты. Также эта линия является резонатором для входного сигнала, чтобы максимальная его мощность попадала на диоды.

Цепь сигнала промежуточной частоты подсоединяется к той точке линии l₁, в которой амплитуда входного сигнала минимальна.

Эти заключения были положены в основу модели смесителя, разработанного в пакете Microwave Office. Частота входного сигнала составляет 47,089ГГц, гетеродина – 23,326ГГц, сигнала промежуточной частоты – 433МГц. При этом полученный коэффициент передачи модели смесителя составляет не хуже -12дБ. Достигнутые коэффициенты развязки цепей сигналов таковы:

· развязка вход – гетеродин: не хуже -23дБ;

· развязка гетеродин – вход: не хуже -22дБ;

· развязка гетеродин – промежуточная частота: не хуже -76дБ;

· развязка промежуточная частота – гетеродин: не хуже -37дБ;

· развязка вход – промежуточная частота: не хуже -90дБ;

· развязка промежуточная частота – вход: не хуже -15дБ;

Таким образом, модель смесителя даёт хорошие результаты по потерям преобразования и развязке сигналов. При аппаратной реализации смесителя необходимо учесть тот факт, что в модели цепь сигнала промежуточной частоты представлена идеальным колебательным контуром. В действительности размеры выводов катушки будут сопоставимы с длиной волны входного сигнала, что повлечёт за собой большие потери полезной мощности входного сигнала. Таким образом, необходима переходная цепь между линией l₁ и цепью сигнала промежуточной частоты.

Литература

1. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А П. Сиверса: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Советское радио, 1976г.

2. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. – М.: Высшая школа, 1988. – 280с.